§ 15. Окисление и восстановление

Определения и обозначения

Окисление — это отдача электронов атомом, ионом или веществом. При потере отрицательно заряженных электронов степень окисления частицы повышается. Это понятие нужно, чтобы распознавать передачу электронов, даже если в реакции не участвует кислород.

Восстановление — это присоединение электронов частицей. После присоединения отрицательного заряда степень окисления элемента понижается. Понятие помогает определить, какая частица принимает электроны в реакции.

Окислитель — частица или вещество, принимающее электроны и восстанавливающееся в реакции. Оно вызывает окисление другого участника, поскольку тот отдаёт ему электроны. Название роли показывает, что происходит с партнёром, а не с самим окислителем.

Восстановитель — частица или вещество, отдающее электроны и окисляющееся в реакции. Передавая электроны, оно вызывает восстановление другого участника. Это определение позволяет назвать роль вещества, если известно, какой элемент повышает степень окисления.

Как это устроено

Окисление и восстановление в одной реакции неразделимы, потому что электрон не исчезает и не возникает сам по себе. Если одна частица отдаёт электроны, другая должна их принять. Поэтому число отданных электронов в суммарном процессе равно числу принятых.

Определить, что именно окислилось или восстановилось, можно сравнением степеней окисления элемента в реагентах и продуктах. Повышение значения означает, что элемент отдал электроны и окислился; понижение указывает на принятие электронов и восстановление. Сравнивать нужно один и тот же элемент до и после реакции, а не общий заряд вещества.

Окислитель и восстановитель получают свои названия по действию на другого участника. Окислитель отнимает у него электроны, но сам эти электроны принимает и восстанавливается. Восстановитель передаёт электроны партнёру, поэтому сам окисляется; так роли участников связаны с двумя одновременно идущими процессами.

Электронный баланс нужен, чтобы правильно подобрать коэффициенты в уравнении ОВР. Сначала записывают, у каких элементов и насколько изменились степени окисления, затем считают число электронов, отданных и принятых каждым атомом. Подбирают множители так, чтобы общее число отданных электронов совпало с числом принятых, и используют их для коэффициентов перед веществами. В конце проверяют число атомов всех элементов в обеих частях уравнения.

Чтобы отличить ОВР от других реакций, нужно проверить изменения степеней окисления, а не только заметить образование осадка, газа или нового вещества. Если хотя бы одна степень окисления повышается и другая понижается, есть перенос электронов и реакция относится к ОВР. Если степени окисления всех элементов сохраняются, реакция не является окислительно-восстановительной.

Окисление и восстановление в окислительно-восстановительной реакции

Пользуйтесь таблицей, рассматривая конкретный элемент до и после реакции. Повышение его степени окисления указывает на окисление, а понижение — на восстановление. Затем по принятию или отдаче электронов определите роль вещества.

Разбор задач

1. Определить, какое вещество окисляется и какое восстанавливается в реакции Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

1. В простом веществе Zn степень окисления цинка равна 0, а в ZnSO₄ — +2. Значит, цинк повысил степень окисления и отдал два электрона.
2. В CuSO₄ степень окисления меди равна +2, а в простом веществе Cu — 0. Медь понизила степень окисления и приняла два электрона.
3. Переход электронов идёт от Zn к Cu²⁺, поэтому цинк окисляется, а медь восстанавливается.

Ответ: окисляется цинк Zn, восстанавливается медь Cu²⁺.

2. Определить окислитель и восстановитель в реакции 2Na + Cl₂ → 2NaCl.

1. У натрия в простом веществе степень окисления 0, а в NaCl она равна +1. Каждый атом натрия отдаёт один электрон.
2. У хлора в Cl₂ степень окисления 0, а в NaCl — −1. Два атома хлора принимают в сумме два электрона.
3. Отданные двумя атомами натрия электроны принимает молекула хлора. Натрий окисляется и является восстановителем, хлор восстанавливается и является окислителем.

Ответ: Na — восстановитель, Cl₂ — окислитель.

3. Расставить коэффициенты методом электронного баланса в реакции Fe₂O₃ + CO → Fe + CO₂.

1. В Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3, а в простом веществе Fe — 0. Два атома железа принимают по три электрона, всего шесть.
2. В CO углерод имеет степень окисления +2, а в CO₂ — +4. Каждый атом углерода отдаёт два электрона, поэтому для отдачи шести электронов нужны три атома углерода.
3. Ставим коэффициенты: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Проверяем: железа — два атома, углерода — три, кислорода — шесть с каждой стороны.

Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Железо восстанавливается, углерод в CO окисляется.

Типичные ошибки

Считать окислением только взаимодействие с кислородом — ошибка: название связано с электронным процессом, а не обязательно с участием этого элемента. Её допускают из-за привычных примеров горения и ржавления. Проверьте изменение степеней окисления: реакция натрия с хлором тоже включает окисление, хотя кислорода в ней нет.

Называть окислителем вещество, которое отдаёт электроны, — значит перепутать роль участника с тем, что происходит с ним самим. Окислитель принимает электроны и восстанавливается, а отдающий электроны восстановитель окисляется. Для проверки проследите, куда переходят электроны, и назовите обе роли по этим изменениям.

Нельзя определять окисление только по заряду всей частицы. В сложном ионе общий заряд может оставаться прежним, хотя степень окисления конкретного элемента меняется. Определите степени окисления нужного элемента в исходном веществе и продукте, а затем сравните их.

Если сначала расставить коэффициенты, а потом искать электронный баланс, легко получить неверное уравнение. Одного совпадения числа атомов недостаточно: необходимо, чтобы число отданных и принятых электронов также совпало. Сначала составьте баланс электронов, поставьте коэффициенты, затем проверьте и атомы, и передачу электронов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны правила определения степеней окисления, умение составлять формулы веществ и уравнивать химические уравнения. Окислительно-восстановительные реакции объясняют горение, получение металлов и действие окислителей. Позднее эти знания пригодятся при изучении электролиза, гальванических элементов и коррозии металлов.

Что запомнить

• Окисление — отдача электронов.
• Восстановление — присоединение электронов.
• Окисление сопровождается повышением степени окисления.
• Восстановление сопровождается понижением степени окисления.
• Окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
• Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется.
• Окисление и восстановление в реакции происходят одновременно.